[論文レビュー] Weighted Sum Power Maximization for Intelligent Reflecting Surface Aided SWIPT

Qingqing Wu, Rui Zhang|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、複数アンテナを備えたアクセスポイント（AP）における送信プレコードおよびインテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）における受動的位相シフトの共同最適化により、エネルギー効率受信機（EHR）の重み付き合計電力の最大化を目的とした、インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）支援型同時無線情報および電力伝送（SWIPT）システムを提案する。主な結果として、情報信号のみで十分であり、専用のエネルギー信号は不要であることが示された。これは、IRSの受動的ビームフォーミングゲインのおかげで、任意のユーザー周波数チャネルでも成立する。

ABSTRACT

The low efficiency of far-field wireless power transfer (WPT) limits the fundamental rate-energy (R-E) performance trade-off of the simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) system. To address this challenge, we propose in this letter a new SWIPT system aided by the emerging intelligent reflecting surface (IRS) technology. By leveraging massive low-cost passive elements that are able to reflect the signals with adjustable phase shifts, IRS achieve a high passive beamforming gain, which is appealing for drastically enhancing the WPT efficiency and thereby the R-E trade-off of SWIPT systems. We consider an IRS being deployed to assist a multi-antenna access point (AP) to serve multiple information decoding receivers (IDRs) and energy harvesting receivers (EHRs). We aim to maximize the weighted sum-power received by EHRs via jointly optimizing the transmit precoders at the AP and reflect phase shifts at the IRS, subject to the individual signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) constraints for IDRs. Since this problem is non-convex, we propose efficient algorithms to obtain suboptimal solutions for it. In particular, we prove that it is sufficient to send information signals only at the AP to serve both IDRs and EHRs regardless of their channel realizations. Moreover, simulation results show significant performance gains achieved by our proposed designs over benchmark schemes.

研究の動機と目的

• 従来のSWIPTシステムにおける基本的なレート-エネルギー（R-E）トレードオフの制限要因である、遠方フィールド無線電力伝送（WPT）効率の低さに対処すること。
• インテリジェントリフレクティングサーフェス（IRS）が受動的ビームフォーミングゲインを通じてWPT効率を向上させる可能性を調査すること。
• APにおける送信プレコーダとIRSにおける反射位相シフトを共同最適化し、EHRにおける重み付き合計電力を最大化すること。
• IRS支援型SWIPTシステムにおいて、任意のユーザーチャネル条件のもとで、専用エネルギー信号が必要かどうかを特定すること。
• 非凸最適化問題に対する効率的な準最適アルゴリズムの開発

提案手法

• 情報復調受信機（IDR）の個別SINR制約のもとで、EHRにおける重み付き合計電力を最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• APにおけるアクティブな送信プレコードとIRSにおける受動的位相シフトの共同設計を提案し、WPT効率を向上させる。
• 専用エネルギー信号は不要であり、情報信号のみで情報復調とエネルギー効率受信の両方を実現できることを証明する。
• 非凸問題を扱うために半定値緩和（SDR）アプローチを導入し、エネルギービームフォーミングを用いずに最適解が得られる条件を導出する。
• ラグランジュ双対性とランク1分解を用いて、元の問題の最適目的値と一致する妥当な解を構築する。
• 収束保証と性能保証を備えた、緩和問題を効率的に解く準最適アルゴリズムを開発する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 専用エネルギー信号を送信しないIRS支援型SWIPTシステムでも、高いエネルギー効率受信性能を達成可能か？
• RQ2 IRSは、従来の設定と比較して、SWIPTシステムにおけるレート-エネルギー（R-E）トレードオフをどのように改善するか？
• RQ3 EHRにおける重み付き合計電力を最大化するための最適な送信プレコーダとIRS位相シフトの設定は何か？
• RQ4 どのようなチャネル条件のもとで、情報信号のみで情報復調とエネルギー効率受信の両方が可能になるか？
• RQ5 IRSの配置場所（例：APとの視線路線）が、システムのR-E性能にどのように影響するか？

主な発見

• 提案されたIRS支援型SWIPTシステムは、ベンチマーク手法と比較してR-Eトレードオフにおいて顕著な性能向上を達成し、EHRにおける回収エネルギーが大幅に増加する。
• ユーザーチャネルが任意に相関していても、専用エネルギー信号は不要であり、先行研究をより広いクラスのチャネルモデルにまで拡張した。
• 最適解はエネルギー共分散行列をゼロに設定することで得られ、すべてのエネルギーが情報信号からのみ供給されることを意味する。
• シミュレーション結果は、APとの強い視線路線（LoS）リンクにIRSを配置することで、回収エネルギーと全体のR-E性能が顕著に向上することを確認した。
• 提案されたアルゴリズムは効率的に収束し、低計算量でほぼ最適性能を達成する。
• 理論的証明により、元の問題の最適解がエネルギービームフォーミングを含まない緩和問題を解くことと同等であることが示され、設計を単純化した。